摘 要

二甲醚熱泵與太陽能互補(bǔ)供能的經(jīng)濟(jì)性分析:提出二甲醚熱泵與太陽能互補(bǔ)供能的工藝和經(jīng)濟(jì)性分析方法，在太陽能集熱器供熱比例不同時(shí)，進(jìn)行特定條件下的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，提出了太陽能集熱器供熱比例為 0 ． 4 ～ 0 ． 6 時(shí)，經(jīng)濟(jì)性及供熱效果最優(yōu)。

 摘　要：提出二甲醚熱泵與太陽能互補(bǔ)供能的工藝和經(jīng)濟(jì)性分析方法，在太陽能集熱器供熱比例不同時(shí)，進(jìn)行特定條件下的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，提出了太陽能集熱器供熱比例為0．4～0．6時(shí)，經(jīng)濟(jì)性及供熱效果最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：二甲醚熱泵；  太陽能熱利用；  集熱器；  經(jīng)濟(jì)性分析

Economic Analysis of Complementary Energy Supply between Dimethyl Ether Heat Pump and Solar Collector

Abstract：The process and economic analysis method of the complementary energy supply between dimethyl ether(DME)heat pump and solar c011ector are proposed．The economic calculation under the special condition is carried out when the heating percentages of solar collector are different．It is pointed show that the economy and heating efficiency are optimal when the heating percentage of solar collector is controlled at 0.4 to 0.6．

Keywords：dimethyl ether(DME)heat pump；solar heat utilization；heat collector；economic analysis

 

1　概述

由于煤炭是固體燃料，其組成復(fù)雜，直接燃燒利用對環(huán)境的污染較大，因此煤炭的高效清潔利用是當(dāng)前的重要研究方向。二甲醚是由煤炭氣化制成合成氣，合成甲醇后脫水生成，我國已經(jīng)制定GB 25035—2010《城鎮(zhèn)燃?xì)庥枚酌选窐?biāo)準(zhǔn)。二甲醚的十六烷值與柴油相當(dāng)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程噪聲低，氮氧化物排放量少，是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的理想替代燃料。二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)不僅能驅(qū)動(dòng)交通工具，也可以驅(qū)動(dòng)熱泵用壓縮機(jī)。

利用二甲醚驅(qū)動(dòng)工質(zhì)壓縮機(jī)是一種高效的技術(shù)。我國廣大地區(qū)有較豐富的太陽能資源，太陽能集熱器的利用已經(jīng)比較普遍[1-2]。二甲醚熱泵與太陽能集熱器供熱各有優(yōu)缺點(diǎn)，二甲醚是二次能源，其燃料成本相對較高；太陽能集熱系統(tǒng)晝夜和四季可接受的能量波動(dòng)大，造價(jià)也較高。如果將二甲醚熱泵與太陽能結(jié)合進(jìn)行互補(bǔ)供能，既可降低供熱的燃料成本，又可提高供熱的可靠性。

2　二甲醚熱泵與太陽能互補(bǔ)供能的工藝

二甲醚熱泵與太陽能互補(bǔ)供能的工藝流程見圖1[3]。二甲醚儲(chǔ)罐l中的二甲醚氣化后經(jīng)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)2將二甲醚的燃燒熱轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)工質(zhì)壓縮機(jī)3，將低壓氣態(tài)工質(zhì)絕熱壓縮為高壓氣態(tài)工質(zhì)，高壓氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入工質(zhì)冷凝換熱器5中被熱媒或熱匯介質(zhì)冷凝為液態(tài)工質(zhì)，液態(tài)工質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥6絕熱膨脹后進(jìn)入工質(zhì)蒸發(fā)換熱器7中，靠吸收熱源介質(zhì)或冷媒的熱量而氣化為氣態(tài)工質(zhì)，再進(jìn)入工質(zhì)壓縮機(jī)3，循環(huán)進(jìn)行。太陽能集熱器10提供的熱水與熱泵的熱水共同進(jìn)入熱水儲(chǔ)罐9后外供。利用二甲醚補(bǔ)熱器8和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水換熱器4可回收一部分余熱，并可彌補(bǔ)高峰負(fù)荷。

 

二甲醚熱泵與太陽能互補(bǔ)供能的功能如下。

①冬季制熱

利用二甲醚熱泵的工質(zhì)冷凝換熱器5放出的熱量將供暖回水加熱后，與太陽能集熱器10的熱水、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水換熱器4的熱水、二甲醚補(bǔ)熱器8的熱水共同進(jìn)入熱水儲(chǔ)罐9，作為供暖供水。工質(zhì)蒸發(fā)換熱器7所需的蒸發(fā)熱則由熱源介質(zhì)提供。

②夏季制冷

利用二甲醚熱泵的工質(zhì)蒸發(fā)換熱器7吸收熱量使空調(diào)用冷媒降溫，直接供建筑物空調(diào)用。工質(zhì)冷凝換熱器5放出的熱量可帶進(jìn)熱水儲(chǔ)罐9用于制備生活熱水，或由熱匯介質(zhì)帶走。

③制備生活熱水

夏季可以利用制冷過程工質(zhì)冷凝換熱器5放出的熱量，經(jīng)熱水儲(chǔ)罐9中的換熱盤管將自來水加熱供應(yīng)生活熱水；冬季供暖負(fù)荷大時(shí)，可啟動(dòng)二甲醚補(bǔ)熱器8補(bǔ)充提供部分熱水；非供暖和非空調(diào)季節(jié)，如太陽能集熱器l0的熱水不夠用，可啟動(dòng)二甲醚熱泵進(jìn)行低負(fù)荷運(yùn)行或啟動(dòng)二甲醚補(bǔ)熱器8供應(yīng)生活熱水。

3　二甲醚熱泵與太陽能互補(bǔ)供能費(fèi)用

①燃料費(fèi)用

以R22為工質(zhì)的二甲醚熱泵與太陽能互補(bǔ)供能的參數(shù)為：制冷時(shí)冷媒溫度5～7℃，供熱時(shí)熱媒溫度45～55℃，生活熱水溫度40～50℃。因太陽能部分無燃料費(fèi)用，只計(jì)算二甲醚熱泵與太陽能互補(bǔ)供能中二甲醚熱泵的燃料費(fèi)用。

a．供熱負(fù)荷的計(jì)算

Fh＝Sqh/1000　　　　　　(1)

式中Fh——供熱負(fù)荷，kW

S——建筑供熱面積，m2

qh——熱負(fù)荷指標(biāo)，W／m2

b．壓縮機(jī)出口、進(jìn)口工質(zhì)絕對壓力的計(jì)算

 

式中p1——壓縮機(jī)出口工質(zhì)絕對壓力，Mpa

p0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓絕對壓力，Mpa

r——工質(zhì)的蒸發(fā)熱，kJ／kg，取206kJ／kg

Mr——工質(zhì)相對分子質(zhì)量，取86.5

R——摩爾氣體常數(shù)，kJ／(kmol·K)，取8.314kJ／(kmol·K)

T1——壓縮機(jī)出口工質(zhì)溫度，K

T0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度，K，取273.15K

p4——壓縮機(jī)進(jìn)口工質(zhì)絕對壓力，Mpa

T4——壓縮機(jī)進(jìn)口工質(zhì)溫度，K

c．熱泵供熱性能系數(shù)的計(jì)算[4]

 

式中Icop——二甲醚熱泵供熱性能系數(shù)

h2——壓縮機(jī)效率，取80％

h3——冷凝換熱器效率，取80％

k——工質(zhì)等熵指數(shù)，取1.194

d．二甲醚功率計(jì)算

燃料費(fèi)用主要取決于滿足一定供熱負(fù)荷時(shí)工質(zhì)壓縮所需的機(jī)械功，二甲醚熱泵制熱過程需消耗二甲醚功率計(jì)算式為：

 

式中Pg——二甲醚熱泵制熱需二甲醚的功率，kW

Fsun——太陽能集熱器的供熱負(fù)荷，kW

h1——二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)效率，取30％

h4——發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用率，取30％

qsun——太陽能集熱器供熱能力，kW／m2

Ssun——太陽能集熱器面積，m2

c．二甲醚燃料費(fèi)用的計(jì)算

Zr＝3.6PgthCDME  　　  (7)

式中Zr——二甲醚燃料費(fèi)用，元／供暖期

th——年供暖期的時(shí)間，h，取2800h

CDME——二甲醚的價(jià)格，元/MJ

②非燃料費(fèi)用

非燃料費(fèi)用主要包括二甲醚熱泵和太陽能集熱器等設(shè)備折舊費(fèi)用、大修費(fèi)用、管理費(fèi)用，為了計(jì)算設(shè)備折舊費(fèi)用，首先要計(jì)算每個(gè)設(shè)備的造價(jià)。二甲醚熱泵供熱系統(tǒng)設(shè)備造價(jià)與規(guī)模有關(guān)，太陽能集熱器供熱系統(tǒng)設(shè)備的造價(jià)主要取決于集熱器的面積。

Z1＝A+BPg 　　 　　　(8)

式中Z1——二甲醚熱泵供熱系統(tǒng)設(shè)備造價(jià)，元

A——二甲醚熱泵的基本造價(jià)，取18×104元

B——系數(shù)，取0.16×104元／kW

Z2＝CsunSsun 　　　   (9)

式中Z2——太陽能集熱器供熱系統(tǒng)設(shè)備造價(jià)，元

Csun——太陽能集熱器的價(jià)格，元/m2

設(shè)備折舊費(fèi)用采用設(shè)備造價(jià)按折舊年限均攤計(jì)算，大修費(fèi)用和管理費(fèi)用取設(shè)備折舊費(fèi)用的0.4倍，冬季制熱與夏天制冷的造價(jià)各占總造價(jià)的50％，非燃料費(fèi)用的計(jì)算式為：

Zfr＝[1.4(0.5Z1+Z2)]/n　　　(10)

式中Zfr——非燃料費(fèi)用，形供暖期

n——設(shè)備折舊年限，a，取15a

③二甲醚熱泵與太陽能互補(bǔ)供熱總費(fèi)用

Zsum＝Zr+Zfr 　　　　　　   (11)

式中Zsum——供熱總費(fèi)用，元／供暖期

4　經(jīng)濟(jì)性模擬分析

4.1　初始條件

①供熱要求：建筑供熱面積為1×104m2，熱負(fù)荷指標(biāo)為50W／m2，供水溫度為50℃，年供暖時(shí)間2800h。

②二甲醚熱泵供熱系統(tǒng)：熱源溫度為10℃，冷凝換熱器和蒸發(fā)換熱器的傳熱溫差為3℃。

③太陽能集熱器供熱系統(tǒng)：熱水溫度50℃，太陽能集熱器的供熱能力可按0.6kW／m2計(jì)[2]。

4.2　計(jì)算結(jié)果分析

影響二甲醚熱泵與太陽能供能的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)中，二甲醚價(jià)格和太陽能集熱器價(jià)格影響較大。二甲醚熱泵系統(tǒng)供熱比例大，則燃料費(fèi)用高；太陽能集熱器系統(tǒng)供熱比例大，則總造價(jià)高。選擇太陽能集熱器供熱與二甲醚熱泵供熱比為主要變量，計(jì)算供熱成本。計(jì)算工況1：太陽能集熱器價(jià)格取2000元／m2，二甲醚價(jià)格取0.208元／MJ(見表l)；計(jì)算工況2：太陽能集熱器價(jià)格取3000元／m2，二甲醚價(jià)格取0.139元／MJ(見表2)。二甲醚供熱性能系數(shù)為3.69。

 

 

由表l、2可以看出，二甲醚的價(jià)格越高，太陽能集熱器供熱比例對于供暖期費(fèi)用的影響越大，有利于推廣利用太陽能集熱器供熱，太陽能供熱系統(tǒng)設(shè)備的投資回收期越短，這一觀點(diǎn)與文獻(xiàn)[4]的觀點(diǎn)一致。還可以看出，太陽能集熱器供熱比例越大，燃料費(fèi)用越低。但由于太陽能集熱器造價(jià)高，集熱器的安裝需要具備一定的條件，并且太陽能輻射強(qiáng)度的四季差別和晝夜差別很大，太陽能集熱器供熱系統(tǒng)的可靠性低。綜合考慮以上各種因素，太陽能集熱器供熱比例為0.4～0.6時(shí)經(jīng)濟(jì)性及供熱效果最優(yōu)。

5　結(jié)語

綜合考慮供熱的價(jià)格和供熱的可靠性，太陽能集熱器供熱比例可取0.4～0.6。鑒于各地的太陽能資源分布不同，供熱的要求也有區(qū)別，二甲醚的價(jià)格和太陽能集熱器的價(jià)格也會(huì)有波動(dòng)，建議在既有二甲醚供應(yīng)又有供熱需求的地區(qū)進(jìn)行示范研究，以便取得更為符合實(shí)際的工程技術(shù)參數(shù)，進(jìn)而推廣應(yīng)用。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]楊洪興，周偉．太陽能建筑一體化技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：299-333．

[2]王崇杰，薛一冰．太陽能建筑設(shè)計(jì)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：92-96．

[3]天津市迅爾自控設(shè)備制造有限公司．二甲醚熱泵—太陽能集熱器互補(bǔ)供能裝置：中國，ZL 2013 2 0660447.2[P]．2014-04-09．

[4]項(xiàng)凌，楊愛萍，劉鳳國．天然氣價(jià)格對節(jié)能設(shè)備投資回收期的影響[J]．煤氣與熱力，2011，31(8)：A22-A25．

 

 

 

本文作者：王巨鵬  李宏鎖  蒲誠

作者單位：天津市大港油田公司第五采油廠自動(dòng)化計(jì)量隊(duì)

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